(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波発生手段と、
上記超音波発生手段により発生された超音波を伝搬する媒質を入れた容器と、
上記容器に設けられ、上記媒質を介して伝搬された超音波を上記容器の外部に放射するための振動板により閉じられた音響窓とを有し、
上記音響窓は、上記超音波発生手段から上記媒質を介して上記振動板に入射される超音波の振動と、上記振動板のたわみ振動とが一致してコインシデンス効果を呈する傾斜角だけ傾斜させて設けた上記振動板により閉じられ、上記コインシデンス効果により当該音響窓から超音波を外部に放射して超音波溶接を行う超音波溶接装置。
【請求項２】
上記媒質を介して伝搬された超音波を集束させるための音響レンズを上記容器内に備え、
上記音響レンズにより超音波を集束させて上記音響窓から放射することを特徴とする請求項１記載の超音波溶接装置。
【請求項３】
上記超音波発生手段は、周波数がＭＨｚ帯の超音波を発生する圧電振動子からなり、上記媒質としての水とともに上記容器内に入れられていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の超音波溶接装置。
【請求項４】
上記容器は、手持ち可能なペンシル型に成形されており、円錐状の先端部に上記音響窓を有することを特徴とする請求項３記載の超音波溶接装置。
【請求項５】
媒質を介して伝搬される超音波を振動板により閉じられた音響窓を介して外部に放射して超音波溶接を行う超音波溶接装置による超音波溶接方法であって、
上記振動板に入射される超音波の振動と上記振動板のたわみ振動とが一致してコインシデンス効果を呈する傾斜角だけ傾斜させて設けた上記振動板により閉じられた上記音響窓に上記媒質を介して超音波を伝搬し、
上記媒質を介して伝搬された超音波を上記振動板により閉じられた音響窓から上記コインシデンス効果により外部に放射して超音波溶接を行う超音波溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、媒質を介して伝搬される超音波を振動板により閉じられた音響窓を介して外部に放射して超音波溶接を行う超音波溶接装置及び超音波溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波溶接は、プラスチック製品や半導体部品の接合などに利用されているが、従来の超音波溶接装置では、周波数が高々１００ｋＨｚ程度までの低周波超音波が用いられていた。しかし、低周波超音波では接合できない新規材料の出現や、接合精度の要求向上から、ＭＨｚ帯に高周波化することが望まれている。
【０００３】
高周波化した超音波溶接装置の１つとして、集束超音波による溶接がある（例えば、非特許文献１参照）。１ＭＨｚ以上の高周波超音波は空気中を効率よく伝搬させることができないので、従来の集束超音波溶接装置では、水中で被接合部材に集束超音波を照射する必要があり、振動子と接合部材をともに水中に沈めて超音波溶接を行っていた。
【０００４】
また、数ＭＨｚの弾性表面波素子を用いる溶接装置も研究されている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】実吉純一，菊池喜充，熊本乙彦，超音波技術便覧（新訂版（日刊工業新聞社，東京，１９７８），ｐｐ．１８８２
【非特許文献２】渡辺裕二，日本音響学会誌，６５巻（７号），３５２−３５７，２００９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の如く振動子と被接合部材をともに水中に沈めて超音波溶接を行う従来の集束超音波溶接装置では、作業性が悪く、また、装置が大がかりになってしまうという問題があった。
【０００７】
また、弾性表面波を用いる方式を採用した場合、現状ではスポット溶接が困難である。
【０００８】
上述の如き従来の状況に鑑み、本発明の目的は、被接合部材を水中に沈めることなく、水槽等を用いずに接合を行うことのできる超音波溶接装置及び超音波溶接方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、超音波発生手段により発生された超音波を伝搬する媒質を入れた容器に振動板により閉じられた音響窓を設け、上記音響窓から超音波を外部に放射して超音波溶接を行う。上記音響窓を閉じる振動板を傾けることで、コインシデンス効果により超音波を効率よく外部に放射して超音波溶接を行う。
【００１１】
すなわち、本発明に係る超音波溶接装置は、超音波発生手段と、上記超音波発生手段により発生された超音波を伝搬する媒質を入れた容器と、上記容器に設けられ、上記媒質を介して伝搬された超音波を上記容器の外部に放射するための振動板により閉じられた音響窓とを有し、上記音響窓は、上記超音波発生手段から上記媒質を介して上記振動板に入射される超音波の振動と、上記振動板のたわみ振動とが一致してコインシデンス効果を呈する傾斜角だけ傾斜させて設けた上記振動板により閉じられ、上記コインシデンス効果により当該音響窓から超音波を外部に放射して超音波溶接を行うことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る超音波溶接装置は、例えば、上記媒質を介して伝搬された超音波を集束させるための音響レンズを上記容器内に備え、上記音響レンズにより超音波を集束させて上記音響窓から放射するものとすることができる。
【００１３】
また、本発明に係る超音波溶接装置において、上記超音波発生手段は、例えば、周波数がＭＨｚ帯の超音波を発生する圧電振動子からなり、上記媒質としての水とともに上記容器内に入れられているものとすることができる。
【００１４】
さらに、本発明に係る超音波溶接装置において、上記容器は、例えば、手持ち可能なペンシル型に成形されており、円錐状の先端部に上記音響窓を有するものとすることができる。
【００１５】
また、本発明は、媒質を介して伝搬される超音波を振動板により閉じられた音響窓を介して外部に放射して超音波溶接を行う超音波溶接装置による超音波溶接方法であって、上記振動板に入射される超音波の振動と、上記振動板のたわみ振動とが一致してコインシデンス効果を呈する傾斜角だけ傾斜させて設けられた上記振動板により上記音響窓を閉じ、上記媒質を介して超音波を伝搬し、伝搬された超音波を上記振動板により閉じられた音響窓から上記コインシデンス効果により外部に放射して超音波溶接を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、超音波発生手段により発生された超音波を伝搬する媒質を入れた容器に振動板により閉じられた音響窓を設け、上記振動板に入射される超音波の振動と上記振動板のたわみ振動とが一致してコインシデンス効果を呈する傾斜角だけ傾斜させて設けた上記振動板により上記音響窓を閉じることにより、上記媒質を介して超音波を上記音響窓に伝搬し、上記媒質を介して伝搬された超音波を上記振動板により閉じられた音響窓から上記コインシデンス効果により外部に効率よく放射して超音波溶接を行うことができる。
【００１７】
また、本発明では、上記媒質を介して伝搬された超音波を集束させるための音響レンズを上記容器内に備えることにより、上記音響レンズにより超音波を集束させて上記音響窓から被接合部材にスポット照射することができる。
【００１８】
さらに、本発明では、手持ち可能なペンシル型に成形され、円錐状の先端部に音響窓を有する容器に、周波数がＭＨｚ帯の超音波を発生する圧電振動子と音響レンズと組み合わせた集束圧電振動子を超音波発生手段として、上記超音波を伝搬する媒質とともに入れることで、手持ち可能な超音波溶接装置を提供することができる。
【００１９】
すなわち、本発明によれば、被接合部材を水中に沈めることなく、水槽等を用いずに接合を行うことのできる小型の超音波溶接装置及び超音波溶接方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明を適用した超音波溶接装置の基本構成を模式的に示す断面図である。
【図２】上記超音波溶接装置におけるコインシデンス効果を模式的に示す図である。
【図３】本発明を適用した超音波溶接装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】上記超音波溶接装置における音響窓の近傍の拡大図である。
【図５】圧電振動子により発生する超音波の周波数とコインシデンス効果を発生する振動板の板厚との関係を計算した結果を示す図である。
【図６】上記音響窓を閉じる振動板による超音波の透過実験の様子を模式的に示す図である。
【図７】周波数が１．６３ＭＨｚの超音波の透過実験の結果を示す図である。
【図８】周波数が２．４ＭＨｚの超音波の透過実験の結果を示す図である。
【図９】超音波の集束させる実験の様子を模式的に示す図である。
【図１０】超音波の集束実験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。
【００２２】
本発明を適用した超音波溶接装置１０は、その基本構成を図１の断面図に示すように、振動板１により閉じられた音響窓２を底部に有する傾斜させた円筒形状の容器３中で圧電（ＰＺＴ）振動子４を用いた超音波発生手段により超音波を発生させ、上記超音波を上記振動板１により閉じられた音響窓２から外部に放射して被接合部材８Ａ，８Ｂに照射することにより、被接合部材８Ａ，８Ｂを超音波溶接するものであって、圧電（ＰＺＴ）振動子４を駆動することにより発生される超音波を伝搬する媒質５として水を上記容器３内に入れた構造となっている。
【００２３】
なお、超音波を伝搬する媒質５としては、油やグリセリンなどの水以外の液体を用いることもできる。
【００２４】
そして、この超音波溶接装置１０は、上記容器３に設けられた上記音響窓２は、上記圧電（ＰＺＴ）振動子４を用いた超音波発生手段から上記媒質５を介して上記振動板１に入射される超音波の振動と、上記振動板１のたわみ振動とが一致してコインシデンス効果を呈する傾斜角θだけ傾斜させて設けた上記振動板１により閉じられ、上記コインシデンス効果により当該音響窓２から超音波を外部に放射するようになっている。
【００２５】
なお、上記圧電（ＰＺＴ）振動子４を用いた超音波発生手段は、図示しない駆動部から上記圧電（ＰＺＴ）振動子４に駆動用の高周波信号が供給されることにより、上記圧電（ＰＺＴ）振動子４が駆動されて、超音波を発生する。
【００２６】
ここで、コインシデンス効果は、図２に示すように、入射波の振動波長と、板のたわみ振動波長とが一致する傾斜角θにおいて透過損失が小さくなる現象であって、この超音波溶接装置１０では、上記音響窓２を閉じる振動板１を超音波の伝搬方向に対して傾斜角θだけ傾けることで、コインシデンス効果により超音波を効率よく外部に放射して超音波溶接を行うことができる。
【００２７】
このような構成の超音波溶接装置１０として、上記容器３としてアクリルの筒を用い、板厚ｔが０．３ｍｍのアルミニウム板を用いた振動板１により音響窓２を閉じた容器３内に超音波を伝搬する媒質５として水を入れ、上記圧電（ＰＺＴ）振動子４を用いた超音波発生手段により周波数が１．６３ＭＨｚの超音波を発生する試作機を作製して、被接合部材８Ａ，８Ｂを接合する溶着実験を行ったところ、傾斜角θとして４０°だけ傾斜させたアクリルの筒を上記容器３として用いた場合に、高い効率でコインシデンス効果が発生し、上記被接合部材８Ａ，８Ｂとしてアクリル（ポリメタクリル酸メチル樹脂 (PMMA)）板を接合することができた。
【００２８】
なお、上記超音波溶接装置１０における音響窓２と上記被接合部材８Ａの間にカップリング用の水を入れることにより、上記被接合部材８Ａ，８Ｂとしてアクリル（ポリメタクリル酸メチル樹脂 (PMMA)）板を確実に接合することができた。
【００２９】
すなわち、本発明では、圧電（ＰＺＴ）振動子４により発生された超音波を伝搬する媒質５を入れた容器３に上記媒質５を介して伝搬された超音波を外部に放射するための振動板１により閉じられた音響窓２を設け、上記振動板１に入射される超音波の振動と上記振動板１のたわみ振動とが一致してコインシデンス効果を呈する傾斜角だけ傾斜させて設けた上記振動板１により上記音響窓２を閉じることにより、上記媒質５を介して超音波を上記音響窓２に伝搬し、上記媒質５を介して伝搬された超音波を上記振動板１により閉じられた上記音響窓２から上記コインシデンス効果により外部に効率よく放射して超音波溶接を行うことができる。
【００３０】
また、本発明を適用した超音波溶接装置は、例えば、図３に示すように、円錐状の先端部に音響窓２を有する手持ち可能なペンシル型に成形された容器３内に、圧電（ＰＺＴ）振動子４を用いた超音波発生手段とともに超音波を伝搬する媒質５を入れた構造とすることによって、手持ち可能な超音波溶接装置２０とすることができる。なお、この超音波溶接装置２０において、上記超音波溶接装置１０と同じ構成要素については、同一の符号を付してその、詳細な説明を省略する。
【００３１】
この超音波溶接装置２０では、ペンシル型に成形された容器３の円錐状の先端部に設けられた音響窓２が、当該音響窓２の近傍の拡大図を図４に示すように、コインシデンス効果を呈する傾斜角θだけ傾斜させて設けた上記振動板１により閉じられている。
【００３２】
なお、図４に示す音響窓２の近傍の拡大図では、音響窓２と被接合部材８Ａの間にカップリング用の水９が入れられている状態が示されている。
【００３３】
また、溶接する範囲を狭めるために、この超音波溶接装置２０では、媒質を介して伝搬された超音波を集束させるための音響レンズ６が圧電（ＰＺＴ）振動子４と音響窓２の間に設けられている。上記音響レンズ６としては、例えばエドモンド・オプティクス社製のガラス製の平凹レンズが用いられる。
【００３４】
ここで、音響窓２を閉じる振動板１としてアルミニウム板を傾斜角θ＝５５°、θ＝６０°、θ＝６５°、θ＝７０°で傾けた場合について、圧電（ＰＺＴ）振動子４により発生する超音波の周波数とコインシデンス効果を発生する振動板１の板厚ｔとの関係を計算した結果を図５に示す。ここでは、板波速度は、ベルヌイの・オイラーの近似を用いている。
【００３５】
上記コインシデンス効果を発生する振動板の最適な傾斜角θは、次の（１）式で表される。
【００３６】
【数１】
0005499401.tif 000002
【００３７】
（１）式において、cw、cbはそれぞれ水中の超音波の音速、振動板のたわみ振動の伝搬速度である。
【００３８】
そして、図６に示すように、富士セラミックス製のＣ２１３、２０４、直径２０ｍｍのＰＺＴ単板からなる圧電（ＰＺＴ）振動子４、振動板１、ハイドロホン１１を水中に入れ、板厚ｔが０．３ｍｍ，０．５ｍｍ，０．８ｍｍ，１．０ｍｍのアルミニウム板を用いた振動板１について、周波数が１．６３ＭＨｚと２．４ＭＨｚの超音波の透過実験を行った結果を図７、図８に示す。１．６３ＭＨｚでは、板厚ｔが薄いものほど、ピーク時の角度と論理値とのずれが少なく、板厚ｔが０．８ｍｍ，１．０ｍｍではピーク時の角度と論理値がほぼ一致している。また、１．６３ＭＨｚの方が全体的に透過率が高い。
【００３９】
さらに、図９に示すように、富士セラミックス製のＣ２１３、２０４、直径２０ｍｍのＰＺＴ単板からなる圧電（ＰＺＴ）振動子４、直径２５ｍｍ、曲率半径１９．６２ｍｍの平凹レンズ（エドモンド・オプティクス社製のガラス製）を用いた音響レンズ６、板厚２．０ｍｍのアクリル板８の順で水中に並べて、超音波の集束させる実験を行った結果を図１０に示す。
【００４０】
圧電（ＰＺＴ）振動子４と音響レンズ６の間隔を２５ｍｍ，３０ｍｍ，３５ｍｍ，４０ｍｍとして、音響レンズ６を介して超音波をアクリル板８に照射した結果を図１０の（Ａ１），（Ａ２），（Ａ３），（Ａ４）に示し、音響レンズ６を介さずに超音波をアクリル板８に直接照射した結果を図１０の（Ｂ１），（Ｂ２），（Ｂ３），（Ｂ４）に示している。
【００４１】
音響レンズ６を介して超音波をアクリル板８に照射した場合には、圧電（ＰＺＴ）振動子４と音響レンズ６の間隔が３０ｍｍの場合においてのみアクリル板８をよく溶かすことができ、平凹レンズを用いた音響レンズ６により超音波を集束させてアクリル板８が溶ける領域を１〜２ｍｍ帝都に限定することができる。
【００４２】
したがって、上記超音波溶接装置２０では、伝搬された超音波を集束させるための音響レンズ６を容器３内に備えることにより、上記音響レンズ６により超音波を集束させて音響窓２から被接合部材８Ａ，８Ｂにスポット照射することができる。
【００４３】
このような構成の超音波溶接装置２０は、手持ち可能な超音波溶接装置として機能し、当該装置２０及び被接合部材を水中に沈めることなく、水槽等を用いずに接合を行うことができる。
【００４４】
なお、上記超音波溶接装置２０は、コンピュータ制御の移動機構などと組み合わせて、所望の箇所をコンピュータ制御により自動溶接するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１  振動板
２  音響窓
３  容器
４  圧電（ＰＺＴ）振動子
５  媒質
８  アクリル板
８Ａ，８Ｂ  被接合部材
１０，２０  超音波溶接装置
【図１】
0005499401.tif 000003
【図２】
0005499401.tif 000004
【図３】
0005499401.tif 000005
【図４】
0005499401.tif 000006
【図５】
0005499401.tif 000007
【図６】
0005499401.tif 000008
【図７】
0005499401.tif 000009
【図８】
0005499401.tif 000010
【図９】
0005499401.tif 000011
【図１０】
0005499401.tif 000012